研究人员表示 调整基因表达可能有助于人类直立行走

考虑一下你脚下的工程奇迹。无论是毛茸茸的还是家常的，没有坚实的支撑，你都会很难走路或正常跳跃。现在，斯坦福大学医学院和阿拉巴马州亨茨维尔的HudsonAlpha生物技术研究所的研究人员已经确定了人类和灵长类动物之间基因表达的变化，这可能有助于我们在行走时保持这种优势。他们通过研究一种叫做threespine stickleback的小鱼来完成它，这种鱼已经进化出完全不同的骨骼结构，以适应世界各地的环境。

“从鱼类一直到人类的研究项目有点不寻常，但很明显，调整称为骨形态发生蛋白的分子表达水平不仅会导致棘突的骨骼装甲发生重大变化，而且在人类和灵长类动物的后肢发展中，“斯坦福大学发育生物学教授大卫金斯利博士说。“这种变化可能是我们从一只像黑猩猩一样抓住后足从一种承重结构进化而来的原因的一部分，这种结构让我们可以两条腿走路。”

Kingsley也是Howard Hughes医学研究所的研究员，他是一篇论文的高级作者，该论文描述了将于1月7日在Cell上发表的着作。主要作者是前斯坦福大学博士后学者Vahan Indjeian博士，他现在是伦敦帝国理工学院研究小组的负责人。

适应不同的环境

threespine趾骨是非常了不起的，它已经发展到有许多不同的身体结构，以配备它在世界不同地区的生活。它体现了骨板和脊柱的外部，起到盔甲的作用，保护它不受捕食者的侵害。在海洋环境中，板块又大又厚; 在淡水中，鱼已经进化成具有更小，更轻的板，可能是为了增强浮力，增加身体柔韧性并且更好地从大型饥饿昆虫的抓地中滑出。金斯利和他的同事想要确定鱼类基因组的区域，这些区域负责自然群体中进化的骨骼差异。

研究人员确定了负责控制装甲板尺寸的基因组区域，然后在11对不同装甲板尺寸的海水和淡水鱼中寻找差异。他们归巢于一个包含骨形态发生蛋白家族成员GDF6 基因的区域。由于该基因附近的调控DNA序列发生变化，淡水粘附物表达较高水平的GDF6，而它们的盐水表达较少。研究人员发现，引人注目的是，经过基因工程改造以含有淡水鱼调节序列的海洋鱼类表达了更高水平的GDF6并开发了更小的装甲板。

人类与黑猩猩的监管区域

Kingsley和他的同事们想知道GDF6表达水平的变化是否也可能导致人类进化过程中的关键骨骼改变。这种可能性并不像看起来那么牵强。包括Kingsley在内的进化生物学家的其他研究表明，关键发育基因调控区域的微小变化可能对许多脊椎动物产生深远影响。

他们首先与Gill Bejerano博士，斯坦福大学发育生物学，计算机科学和儿科学副教授的实验室工作人员合作，比较黑猩猩和人类基因组的差异。在之前的调查中，他们发现了超过500个地方，人类失去了从黑猩猩和许多其他哺乳动物保存的监管区域。其中两个发生在GDF6基因附近。他们尤其是一个人。

“这一监管信息是通过大约1亿年的演变共享的，”金斯利说。“然而，令人惊讶的是，这个地区在人类中缺失了。”

为了更多地了解GDF6调控区可能控制的内容，研究人员使用黑猩猩调控DNA来控制一种易于在小鼠中可视化的蛋白质的产生。黑猩猩调节DNA与报告蛋白偶联的实验室小鼠在其后肢强烈且特异性地表达蛋白质，但不是它们的前肢，并且在它们的外侧脚趾，而不是后肢的大脚趾。基因工程小鼠缺乏在身体任何部位产生GDF6的能力，其颅骨比正常小，脚趾短于同龄人。总之，这些研究结果为研究人员提供了一个线索，即GDF6可能在肢体发育和进化中发挥关键作用。

大脚趾：一个解释

人类缺少后肢调节区域这一事实可能意味着我们在发育期间表达的腿和脚中的基因较少，但在我们新生的手臂，手和头骨中的比例相当。这种特殊调节序列的丧失也会缩短侧脚趾，但不会缩短脚趾的第一脚趾。这可能有助于解释为什么大脚趾与人类的其他短脚趾对齐。这样的修改会产生一个更坚固的脚，可以直立行走。

“这些骨形态发生蛋白是所有类型动物骨骼和软骨生长的强烈信号，”Kingsley说。“你可以通过改变表达信号的位置和时间来发展新的骨骼结构，无论你是在改变背部的护甲，还是在人类进化过程中改变特定的后肢结构，看到类似的监管原则都是非常令人满意的。”